锅炉设备与原理chapter6工业锅炉的水动力工况与蒸汽净化装置

1、第六章 工业锅炉的水动力工况及蒸汽净化装置n6.1工业锅炉的工业锅炉的水动力工况水动力工况n6.2工业锅炉工业锅炉蒸汽净化装置蒸汽净化装置任务：了解工业锅炉的水动力工况；任务：了解工业锅炉的水动力工况；熟悉工业锅炉的蒸汽净化装置熟悉工业锅炉的蒸汽净化装置6.16.1工业锅炉的水动力工况工业锅炉的水动力工况n锅炉的工作过程：锅炉的工作过程：炉内过程炉内过程和和锅内过程锅内过程。本章研。本章研究和分析工业锅炉的锅内过程。究和分析工业锅炉的锅内过程。 如果由于某种原因致使工质和金属内表面间的如果由于某种原因致使工质和金属内表面间的放热系数降低，金属壁温升高，当金属壁温度放热系数降低，金属壁温升高，当

2、金属壁温度超过金属的超过金属的允许最高工作温度允许最高工作温度时，金属材料就时，金属材料就会因超温而破坏，致使锅炉发生会因超温而破坏，致使锅炉发生爆管或爆炸事爆管或爆炸事故故。上升管上升管内流动的工质，吸收高温烟气的热量，内流动的工质，吸收高温烟气的热量，水被加热、蒸发，形成汽水混合物，密度减小水被加热、蒸发，形成汽水混合物，密度减小；下降管下降管不受热或受热较弱，工质的密度较大。不受热或受热较弱，工质的密度较大。一、锅内水循环n工业锅炉水动力系统一般包括工业锅炉水动力系统一般包括加热系统（水）加热系统（水）、蒸发系统（汽水）蒸发系统（汽水）、过热系统（汽）过热系统（汽）。n蒸发系统按工质流动

3、的方式：蒸发系统按工质流动的方式：自然循环自然循环和和强制循强制循环环。依靠下降管与上升管内工质依靠下降管与上升管内工质密度差密度差作为水循环作为水循环动力的蒸发系统，称为自然循环。工业锅炉绝动力的蒸发系统，称为自然循环。工业锅炉绝大部分属于大部分属于自然循环锅炉自然循环锅炉。（自然循环热水锅。（自然循环热水锅炉）炉）如果蒸发系统中工质的流动依靠如果蒸发系统中工质的流动依靠水泵水泵的扬程使的扬程使工质在受热面内流动，这种蒸发系统称为工质在受热面内流动，这种蒸发系统称为强制强制循环循环。n自然循环回路：由自然循环回路：由锅锅筒筒、下降管下降管、下集箱下集箱、上升管上升管、上集箱上集箱及及汽汽水引

4、出管水引出管等部件组成，等部件组成，如如图图6-3所示。所示。二、自然循环回路n1.自然循环回路的布置自然循环回路的布置简单回路简单回路：一根下降管与一组上升管组成的封：一根下降管与一组上升管组成的封闭的汽水系统。闭的汽水系统。复杂回路复杂回路：一根下降管与几组上升管成的封闭：一根下降管与几组上升管成的封闭的汽水系统。的汽水系统。n循环流量循环流量：在锅炉的自然循环回路中，管内工质：在锅炉的自然循环回路中，管内工质的质量流量。的质量流量。n循环倍率循环倍率：循环流量与蒸发量之比值，：循环流量与蒸发量之比值，K=G/D。循环倍率循环倍率=f（循环回路的阻力、流动压头、锅炉（循环回路的阻力、流动压

5、头、锅炉额定工作压力、负荷的变化等）额定工作压力、负荷的变化等）。n（1）工业自然循环蒸汽锅炉）工业自然循环蒸汽锅炉 工作压力比较低，循环倍率工作压力比较低，循环倍率K20，在正，在正常水动力工况下，常水动力工况下，上升管不致过热上升管不致过热，水中的，水中的溶解盐也不会沉积在管内壁溶解盐也不会沉积在管内壁，不会发生爆管，不会发生爆管事故。事故。n（2）自然循环热水锅炉）自然循环热水锅炉 循环倍率循环倍率K等于锅炉各循环回路中的等于锅炉各循环回路中的循环循环水质量流量之和水质量流量之和与与锅炉进水量锅炉进水量之比值，其循之比值，其循环倍率可以大于环倍率可以大于1，也可以等于或小于，也可以等于或

6、小于1。强制循环热水锅炉强制循环热水锅炉=1。n2. 自然循环回路基本方程自然循环回路基本方程 如右图所示。如右图所示。HsQ点前的高度为上升管点前的高度为上升管的的加热水段高度加热水段高度；HqQ点后的高度为上升点后的高度为上升管的管的含汽段高度含汽段高度。n在下集箱处取在下集箱处取A-A截面截面，作用在，作用在该截面两侧的力应相等，即：该截面两侧的力应相等，即： n运动压头运动压头：运动压头用来克服下降管与上：运动压头用来克服下降管与上升管的阻力。升管的阻力。n上升管、下降管上升管、下降管压差压差：n有效压头有效压头：有效压头用来克服下降管的阻：有效压头用来克服下降管的阻力。力。n利用在工

7、作点利用在工作点Yxj=Yss原理来原理来计算水循环的方法称为计算水循环的方法称为压差法压差法；利用在工作点利用在工作点Syx=Pxj的原的原理来计算水循环的方法称为理来计算水循环的方法称为有效有效压头法压头法。n图图6-4所示为自然循环回路的所示为自然循环回路的水水动力特性曲线动力特性曲线。n两曲线的交点两曲线的交点A为水循环回路的为水循环回路的工作点，该点所对应的流速，即工作点，该点所对应的流速，即为水循环的回路的为水循环的回路的循环流速循环流速。循环流速循环流速Syx三、自然循环锅炉水循环系统 n1角管式锅炉水循环角管式锅炉水循环 如如图图6-5所示。所示。n2.2.锅炉管束的水循环锅炉

8、管束的水循环上、下锅筒与锅炉管束上、下锅筒与锅炉管束组成对流蒸发受热面循组成对流蒸发受热面循环回路，如环回路，如图图6-6所示。所示。根据烟气流动方向，将根据烟气流动方向，将锅炉管束分成三部分：锅炉管束分成三部分：第一管束第一管束，因处于炉膛，因处于炉膛出口，烟气温度很高，出口，烟气温度很高，受热最强，管内工质平受热最强，管内工质平均密度最小；均密度最小；第二管束第二管束次之；次之；第三管束第三管束受热最受热最弱。弱。但这不是绝对的但这不是绝对的（管束里面的下降管与（管束里面的下降管与上升管）。上升管）。四、自然循环锅炉的水循环故障 n当锅内当锅内水动力工况不正常水动力工况不正常时，水循环的安

9、全性时，水循环的安全性就会遭到破坏，产生各种水循环故障，严重影就会遭到破坏，产生各种水循环故障，严重影响锅炉的正常运行。响锅炉的正常运行。 n1水循环的停滞和倒流水循环的停滞和倒流(1) 循环停滞循环停滞当在同一循环回路中，各上升管当在同一循环回路中，各上升管受热不均匀受热不均匀时，受热弱的上升管中所产生的运动压头就时，受热弱的上升管中所产生的运动压头就比较小，甚至不能维持最低的循环流速，而比较小，甚至不能维持最低的循环流速，而处于停止不动的状态，这种现象称为处于停止不动的状态，这种现象称为循环停循环停滞滞。自由水面自由水面如果产生循环停滞的上升管直接接于锅如果产生循环停滞的上升管直接接于锅筒

10、的蒸汽空间，水将停留在上升管的某筒的蒸汽空间，水将停留在上升管的某一部位，水面以上全是蒸汽，此现象称一部位，水面以上全是蒸汽，此现象称为为“自由水面自由水面”。危害：当自由水面的位置波动时，还会危害：当自由水面的位置波动时，还会引起管子的引起管子的疲劳应力疲劳应力损坏。损坏。措施：把上升管或上集箱的汽水引出管措施：把上升管或上集箱的汽水引出管从从锅筒水位面以下引入锅筒锅筒水位面以下引入锅筒，避免形成，避免形成自由水面。自由水面。(2) 循环倒流循环倒流由于受热不均，有的管中工质向上流，有的由于受热不均，有的管中工质向上流，有的管中工质向下流（流速大产生的管中工质向下流（流速大产生的抽吸作用抽吸

11、作用），），这种现象称为这种现象称为循环倒流循环倒流。在倒流管中，水向。在倒流管中，水向下运动，汽泡向上运动。下运动，汽泡向上运动。当管内工质倒流速度很快时，管子仍能得到当管内工质倒流速度很快时，管子仍能得到良好冷却，不出现局部超温。良好冷却，不出现局部超温。危害：当危害：当Ws.d=Wq.s时，汽泡处于不上时，汽泡处于不上不下的状态，引起不下的状态，引起“汽塞汽塞” ，发生传热恶，发生传热恶化，以至使管子出现化，以至使管子出现局部过热超温局部过热超温。n停滞与循环倒流的根本原因是同一循停滞与循环倒流的根本原因是同一循环回路中并列工作的环回路中并列工作的各上升管受热不各上升管受热不均匀均匀，其

12、主要因素：，其主要因素：锅炉的锅炉的结构特点结构特点锅炉锅炉运行不良运行不良（炉膛火焰中心偏移（炉膛火焰中心偏移或火焰分布不均，受热面挂渣积灰）或火焰分布不均，受热面挂渣积灰）防止倒流、停滞的方法：防止倒流、停滞的方法：2. 汽水分层n在在水平或倾斜度很小水平或倾斜度很小的上升管中，汽水混合物的的上升管中，汽水混合物的流速很小流速很小时时，可能发生管子上部是汽，下部是水的流动现象，称为，可能发生管子上部是汽，下部是水的流动现象，称为汽水分层汽水分层。汽水分层的管段受热时，管壁上、下温度不相等，会汽水分层的管段受热时，管壁上、下温度不相等，会产生产生温差应力温差应力，使管子遭到破坏；，使管子遭到

13、破坏；汽水分界面处由于水面波动而产生汽水分界面处由于水面波动而产生交变应力交变应力，使管子，使管子产生纵向裂纹而破坏；产生纵向裂纹而破坏；水滴不断溅到上半部管壁上，当水分蒸发后，其中的水滴不断溅到上半部管壁上，当水分蒸发后，其中的盐分在管壁上形成盐分在管壁上形成水垢水垢，使上半部管壁的冷却效果恶，使上半部管壁的冷却效果恶化，容易过热烧坏。化，容易过热烧坏。n避免发生汽水分层的方法避免发生汽水分层的方法：w0不小于不小于0.60.8m/s；汽水混；汽水混合物的上升管或汽水引出管与水平线之间的倾角不宜小于合物的上升管或汽水引出管与水平线之间的倾角不宜小于15（燃用无烟煤的层燃炉，后拱角度（燃用无烟

14、煤的层燃炉，后拱角度8-10？）？） 。3. 下降管带汽n下降管带汽原因（锅表面水为饱和水）下降管带汽原因（锅表面水为饱和水）下降管下降管入口阻力较大入口阻力较大，产生较大的压降，使，产生较大的压降，使下降管入口处水压降低而发生汽化，造成下下降管入口处水压降低而发生汽化，造成下降管带汽。降管带汽。下降管下降管入口离锅筒水位面太近入口离锅筒水位面太近，上方水面形，上方水面形成旋涡斗，将蒸汽吸入下降管。成旋涡斗，将蒸汽吸入下降管。下降管下降管受热强受热强、上升管出口与下降管入口、上升管出口与下降管入口距距离近离近而又无良好的隔离装置。而又无良好的隔离装置。n下降管带汽对水循环的影响下降管带汽对水循

15、环的影响下降管带汽，使下降管内工质密度减小，下降管带汽，使下降管内工质密度减小，从而使循环回路的从而使循环回路的运动压头降低运动压头降低，对水，对水循环非常不利。循环非常不利。n解决的办法解决的办法下降管尽量设置在下降管尽量设置在锅筒底部锅筒底部，以保证管，以保证管口上方有口上方有足够的水位高度足够的水位高度。6.26.2工业锅炉蒸汽净化装置工业锅炉蒸汽净化装置n一、蒸汽（一、蒸汽（数量与质量数量与质量）污染原因及影响因素）污染原因及影响因素锅炉蒸汽污染的原因：锅炉蒸汽污染的原因：蒸汽带水蒸汽带水和和蒸汽溶盐蒸汽溶盐。工业锅炉压力低，蒸汽污染的原因：蒸汽带工业锅炉压力低，蒸汽污染的原因：蒸汽带

16、水。水。蒸汽带水的危害：蒸汽带水的危害：蒸汽的蒸汽的热焓减小热焓减小；进入过热器，其中盐分在表面结垢，进入过热器，其中盐分在表面结垢，恶恶化传热化传热；盐分沉积在阀门处，使其盐分沉积在阀门处，使其关闭不严关闭不严；影响影响产品质量产品质量。蒸汽进入锅筒的途径：蒸汽进入锅筒的途径：锅筒水位面以上进入，锅筒水位面以上进入，撞击撞击产生的水产生的水滴；滴；水位面以下进入，依靠自身动能，水位面以下进入，依靠自身动能，穿穿越越水位面引起的水位面引起的锅水飞溅锅水飞溅。蒸汽与水是混合在一起的，所以为了蒸汽与水是混合在一起的，所以为了使蒸汽净化，需要安装使蒸汽净化，需要安装汽水分离装置汽水分离装置。蒸汽污染

17、的影响因素n锅炉负荷锅炉负荷在一定的运行工况下，锅炉负荷增加，在一定的运行工况下，锅炉负荷增加，蒸发面负荷增加，汽水混合物流速增蒸发面负荷增加，汽水混合物流速增加，加，锅水飞溅量增大锅水飞溅量增大，因此蒸汽湿度，因此蒸汽湿度增加。增加。n蒸汽空间高度蒸汽空间高度蒸汽空间高度小，汽水重力分离效果蒸汽空间高度小，汽水重力分离效果差，因此湿度大，随着高度增加，明差，因此湿度大，随着高度增加，明显减小，但是到一定高度之后变化不显减小，但是到一定高度之后变化不明显。明显。n锅水含盐量锅水含盐量含盐量高，锅水粘度及表面张力大，含盐量高，锅水粘度及表面张力大，小气泡不易形成大气泡，且上升速度小气泡不易形成大

18、气泡，且上升速度慢，慢，锅筒水位膨胀锅筒水位膨胀，不利于重力分离，不利于重力分离，因此蒸汽湿度增大。含盐量到一定数因此蒸汽湿度增大。含盐量到一定数值，蒸汽湿度急剧增加，此时为值，蒸汽湿度急剧增加，此时为临界临界含盐量含盐量（定期排污（定期排污&连续排污）。连续排污）。n二、蒸汽净化原理二、蒸汽净化原理（1）重力重力分离；分离；（2）惯性力惯性力分离原理；分离原理；（3）离心力离心力分离原理；分离原理；（4）水膜分离原理水膜分离原理。三、蒸汽净化装置n1粗分离装置粗分离装置n(1)旋风分离器旋风分离器结构形式：由筒体、波形板顶帽、开式结构形式：由筒体、波形板顶帽、开式溢流环、圆形底板和导

19、向叶片等组成，溢流环、圆形底板和导向叶片等组成，如下图如下图6-10所示。所示。分离原理：分离原理：离心力离心力分离、分离、重力重力分离和分离和水水膜膜分离。分离。n(2)进口挡板进口挡板进口挡板安装在汽水混合物引入管的进口处，挡板进口挡板安装在汽水混合物引入管的进口处，挡板沿锅筒长度纵向布置，两端空出，如沿锅筒长度纵向布置，两端空出，如图图6-11所示。所示。分离原理：消除动能，分离原理：消除动能，惯性力惯性力。汽水混合物的汽水混合物的引入速度不宜过大引入速度不宜过大，否则易把水膜冲，否则易把水膜冲碎成细小水滴，不利于分离。为减慢抵达挡板时的碎成细小水滴，不利于分离。为减慢抵达挡板时的流速，

20、挡板与管口之间应保持有流速，挡板与管口之间应保持有不小于两倍引入管不小于两倍引入管管径的距离管径的距离。两挡板间应有合适的空隙截面，以便。两挡板间应有合适的空隙截面，以便此处蒸汽速度保持在此处蒸汽速度保持在1.54.5m/s。此外，挡板与汽水流动方向的此外，挡板与汽水流动方向的夹角夹角应小于应小于45，以平稳地消除动能，否则会使汽冲破水膜而成水滴以平稳地消除动能，否则会使汽冲破水膜而成水滴飞溅。飞溅。水下孔板 进口挡板 n(3)水下孔板水下孔板水下孔板是布置在锅筒水空间中的平孔板，水下孔板是布置在锅筒水空间中的平孔板，如如图图6-12所示。所示。分离原理：分离原理：节流节流、均流均流、消除动能

21、消除动能，防止冲，防止冲击水面，减少汽水混合物穿过水面时形成的击水面，减少汽水混合物穿过水面时形成的细小水滴；细小水滴；均匀蒸发面负荷均匀蒸发面负荷。2 2细分离装置细分离装置n(1)均汽孔板均汽孔板装在装在锅筒顶部锅筒顶部的多孔板，如的多孔板，如图图6-13所示。所示。分离原理：分离原理：节流节流，均匀负荷，降低蒸汽上升速，均匀负荷，降低蒸汽上升速度，度，重力重力分离；阻挡细小水滴。分离；阻挡细小水滴。匀汽孔板与水下孔板工作原理基本相似，是借匀汽孔板与水下孔板工作原理基本相似，是借小孔节流作用使锅筒汽空间各处小孔节流作用使锅筒汽空间各处负荷均匀负荷均匀。通。通常孔板均匀开孔，孔径可取常孔板均匀开孔，孔径可取810mm，孔，孔间间距不宜大于间间距不宜大于50mm，蒸汽穿孔流速为，蒸汽穿孔流速为1327m/s。为了增加锅筒汽空间重力分离效果，为了增加锅筒汽空间重力分离效果，孔板尽量孔板尽量装得高些装得高些，以增加蒸汽空间的有效分离高度。，以增加蒸汽空间的有效分离高度。匀汽孔板n(2)集汽管集汽管在工业锅炉中，为了在工业锅炉中，为了均匀蒸汽空间负荷均匀蒸汽空间负荷，防止，防止蒸汽带水，常采用集汽管，如蒸汽带水，常采用集汽管，如图图6-14所示。所示。集汽管形式：集汽管形式：缝隙式缝隙式和和多孔式多孔式。(a)抽汽孔集汽管；(